Integrierte Transceiver für die 5G Mobilkommunikation in verspannter GaN-HEMT Technologie

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Matthias Rudolph; Dr.-Ing. Andreas Wentzel; Dr.-Ing. Joachim Würfl
• Fachliche Zuordnung: Elektronische Halbleiter, Bauelemente und Schaltungen, Integrierte Systeme, Sensorik, Theoretische Elektrotechnik
• Förderung: Förderung von 2019 bis 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 426573565

• Erstellungsjahr: 2024

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Die Mobilkommunikation der Zukunft stellt eine Reihe von Anforderungen an die Elektronik der Funkschnittstelle. Insbesondere bei Basisstationen muss weiter miniaturisiert werden, es ist der Energieverbrauch zu senken und Linearität und Bandbreite zu erhöhen. GaN-basierte Elektronik bietet hierfür eine hervorragende Grundlage, da sie sowohl hohe Leistungsdichten bereitstellen als auch geringes Eigenrauschen aufweisen kann. Allerdings sind typische GaN-Technologien auf klassische Leistungsverstärkung optimiert. Dieses Vorhaben bündelt drei Fragestellungen, die auf dem Weg zu einer optimalen Ein-Chip-Lösung für die Funkschnittstelle zu beantworten sind. Zunächst konnte gezeigt werden, auf welche Weise sich die Eigenschaften der GaN-HEMTs durch gezielte Verspannung des Kanals einstellen lassen, um sie so für den Einsatz im digitalen Leistungsverstärker oder im rauscharmen Verstärker individuell zu optimieren. Auf der Schaltungsebene wurde von einem traditionellen analogen Leistungsverstärker (PA) zu einem digitalen PA übergegangen, und der rauscharme Verstärker (LNA) wurde unter dem Gesichtspunkt in der Topologie verändert, dass er die Empfangerelektronik im Sendefall von PA und Antenne trennt. Die Komponenten PA und LNA erlauben auf diese Weise die Realisierung eines Ein-Chip-Transceiver-Moduls, das ohne Antennenschalter auskommt. Die Validität des neuartigen Ansatzes wurde durch Realisierung und Charakterisierung eines in GaN-HEMT-Technologie monolithisch integrierten Transceiver-Demonstrators nachgewiesen.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• Threshold voltage shift induced by intrinsic stress in gate metal of AlGaN/GaN HFET. Semiconductor Science and Technology, 36(5), 055018.
  Yazdani, Hossein; Chevtchenko, Serguei; Ostermay, Ina & Würfl, Joachim
  
• ”Analysis of GaN-HEMT DC-Characteristic Alterations by Gate Encapsulation Layer“, International Conference on Compound Semiconductor Manufacturing Technology (CS ManTech), 2021.
  H. Yazdani, S.A. Chevtchenko, I. Ostermay & J. Wurfl
  
• A 4 GHz Digital Class-E Outphasing PA. 2022 IEEE/MTT-S International Microwave Symposium - IMS 2022, 622-625. IEEE.
  Hoffmann, Thomas; Schellhase, Lars; Heinrich, Wolfgang & Wentzel, Andreas
  
• GaN-HEMT Based Common-Gate LNA MMIC with Integrated Switch for Compact 5G Transceivers. 2022 IEEE Microwaves, Antennas, and Propagation Conference (MAPCON), 1104-1107. IEEE.
  Rao, Megha Krishnaji; Doerner, Ralf; Yazdani, Hossein & Rudolph, Matthias
  
• “GaN-HEMT Integrated Switch LNA Module for 5G Mobile Communications,” in: 2022 14th German Microwave Conference (GeMiC), May 2022, pp. 69–71.
  M. K. Rao, A. Wentzel, C. Andrei & M. Rudolph
  
• Analysis of Mechanical Strain in AlGaN/GaN HFETs. physica status solidi (a), 220(16).
  Yazdani, Hossein; Graff, Andreas; Simon-Najasek, Michél; Altmann, Frank; Brunner, Frank; Ostermay, Ina; Chevtchenko, Serguei & Würfl, Joachim
  
• Common-Gate LNA MMIC With Switching Feature Using GaN-HEMT for 5G RF Front-End. IEEE Microwave and Wireless Technology Letters, 33(10), 1446-1449.
  Krishnaji, Rao Megha; Doerner, Ralf; Chevtchenko, Serguei A.; Haque, Sanaul & Rudolph, Matthias
  
• Digital GaN-based Transceiver Module for Future Green 5G Networks. 2024 54th European Microwave Conference (EuMC), 136-139. IEEE.
  Rao, Megha Krishnaji; Wentzel, Andreas; Hoffmann, Thomas; Schellhase, Lars; Chevtchenko, Serguei A. & Rudolph, Matthias